近日，天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室MEMS課題組的研究人員在IEEE Sensors Journal期刊上發(fā)表了題為“MEMS ultrasonic fingertip heart rate sensor”的論文。研究團隊提出了基于壓電式MEMS超聲換能器（PMUT）芯片的心率監(jiān)測方案，詳細介紹了PMUT芯片設計、制造、表征與心率測試結果。PMUT芯片具有的小尺寸、高集成度和兼容不透光封裝材料的眾多優(yōu)勢，使其在以健康監(jiān)測為代表的可穿戴設備等消費電子領域中不斷釋放應用潛力。

     心跳是人類生活中最重要的生理活動。通過監(jiān)測心率，可以有效預防心肌病、心力衰竭等心臟類病癥。心率也與人類的心理活動密切相關。持續(xù)的心率監(jiān)測是預防心血管疾病的重要手段。傳統(tǒng)心電監(jiān)護儀和電子聽診器主要用于醫(yī)院中的病人，不適合人們在日常生活當中長期使用。如何利用可穿戴設備實現(xiàn)便捷、準確、持續(xù)的心率監(jiān)測是人們關注的焦點之一。

     脈搏是人體皮膚表面可觸摸到的動脈搏動。動脈搏動的動力來源于人類的心臟跳動，而心臟只要每收縮、舒張一次就會引起這些富有彈性的動脈管壁隨著跳動一次。因此正常狀態(tài)下，脈搏具有與心率一樣的頻率，可以通過監(jiān)測脈搏的跳動從而間接監(jiān)測心率?，F(xiàn)有方式包括使用壓力傳感器或者光電容積脈搏波描記法（PPG），需要將傳感器緊密貼合在手腕或者脖子等位置，容易受到強光以及身體運動等外部環(huán)境的影響，且須使用特定材料封裝傳感器，如玻璃等透光材料。

      超聲傳感技術具有穿透性好、環(huán)境因素干擾小、生物安全、受環(huán)境因素干擾小等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)療領域。近年來，可穿戴超聲換能器已被開發(fā)用于健康信號監(jiān)測，但傳統(tǒng)的超聲探頭仍然體積和重量較大，不易與其他電子設備集成?；贛EMS技術的PMUT因其具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)點，越來越多地應用于消費電子和生物醫(yī)療領域的傳感與成像。

      指尖是人體接觸物體和使用最頻繁的部位之一。因此，研究團隊通過指尖心率數(shù)據(jù)采集實驗展示了基于PMUT芯片的心率監(jiān)測方案。PMUT傳感器的尺寸為3.2 mm × 3.2 mm，比指尖更小。PMUT發(fā)射和接收超聲波脈沖，并不斷監(jiān)測超聲波在手指中傳播的飛行時間（TOF），而由心臟跳動引起的血管擴張和收縮則周期性地調制飛行時間（TOF）。本論文詳細地介紹了PMUT單元的設計思路，并將直徑50μm的PMUT單元組成25 × 25的PMUT陣列，利用PDMS耦合提高超聲在PMUT陣列與指尖之間的耦合。本論文將研制的PMUT傳感器應用于多位受試者的指尖與頸部進行測試，與商用電子聽診器測試結果高度一致。

     據(jù)論文通訊作者張孟倫助理教授和龐慰教授介紹，用指尖輕觸傳感器表面或人體其他部位輕貼傳感器表面就足以獲得準確的心率數(shù)據(jù)，這種易于使用的PMUT傳感器利用超聲波傳感技術實現(xiàn)生物安全和更好的穿透性，并利用MEMS技術實現(xiàn)芯片級小型化以及高度集成化，研究工作展示了PMUT芯片應用于人體進行可穿戴便捷型心率監(jiān)測的可行性。未來，通過PMUT芯片與CMOS電路的高度集成可進一步提高PMUT傳感器的性能以及信號處理能力，有望深刻改變現(xiàn)有可穿戴設備與消費電子產(chǎn)品的形態(tài)與消費者體驗。

論文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2022.3207355